[論文レビュー] Phase gate of one qubit simultaneously controlling n qubits in a cavity or coupled to a resonator

Chui‐Ping Yang, Yu-xi Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、操作時間nに依存しないこと、1つの制御キュービットがキャビティまたは共鳴器系内で同時にn個のターゲットキュービットを制御できる3段階の制御位相ゲートを提案する。超伝導キュービットまたは原子を用いることで、キャビティの初期状態に依存せず、同時に複数キュービットのCNOTに類似した操作を実行可能であり、スケーラブルで高速かつ耐障害性に優れた量子ゲートアーキテクチャを提供する。

ABSTRACT

We propose how to realize a three-step controlled-phase gate of one qubit simultaneously controlling $n$ qubits in a cavity or coupled to a resonator. The $n$ two-qubit controlled-phase gates, forming this multiqubit phase gate, can be performed simultaneously. The operation time of this phase gate is independent of the number $n$ of qubits. This phase gate controlling at once $n$ qubits is insensitive to the initial state of the cavity mode and can be used to produce an analogous CNOT gate simultaneously acting on $n$ qubits. We present two alternative approaches to implement this gate. One approach is based on tuning the qubit frequency while the other method tunes the resonator frequency. Using superconducting qubits coupled to a resonator as an example, we show how to implement the proposed gate with one superconducting qubit simultaneously controlling $n$ qubits selected from $N$ qubits coupled to a resonator ($1<n<N$). We also give a discussion on realizing the proposed gate with atoms, by using one cavity initially in an arbitrary state.

研究の動機と目的

• キャビティまたは共鳴器系内で1つの制御キュービットが同時にn個のターゲットキュービットと量子もつれを形成できるスケーラブルな量子ゲートの開発。
• 操作時間nに依存しないようにすることで、多キュービットゲートのスケーリングの課題に対処すること。
• キャビティモードの初期状態に敏感でないゲートの設計により、ノイズの多い環境でも耐障害性を高めること。
• n個のキュービットに同時に作用するCNOTに類似したゲートの実装を可能とし、効率的な量子回路設計を促進すること。

提案手法

• ゲートは、制御キュービットとn個のターゲットキュービットを共通のキャビティまたは共鳴器モードを介して制御的相互作用で接続する3段階のプロセスによって実装される。
• 2通りの代替実装戦略が提案される：qubit周波数をチューニングするか、共鳴器周波数をチューニングして制御位相相互作用を媒介する。
• ゲートは制御キュービットとキャビティとの共鳴結合に依存し、ターゲットキュービットも同じキャビティに結合されており、共通の光子モードを介した同時にもつれを実現する。
• ゲート操作はキャビティの初期フォック状態に依存せず、初期状態準備の誤差に対しても耐障害性を保つように設計されている。
• 超伝導キュービットと共鳴器の結合を用いた物理的実装プラットフォームが提示され、N個の結合キュービットからn個のキュービットを選択する明示的なプロトコルが示されている。
• 原子を用いた代替実装についても議論され、1つの原子が制御役を果たし、キャビティモードが任意の状態に初期化されている状況を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティベースのシステムにおいて、1つの制御キュービットがn個のターゲットキュービットを操作時間nに依存せずに同時にもつれさせることは可能か？
• RQ2 キャビティモードの初期状態に依存しないゲートは、特にキャビティが既知のフォック状態に準備されていない場合に、どのようにして耐障害性を確保できるか？
• RQ3 超伝導キュービットまたは捕獲原子を用いた、このようなゲートの実現可能な物理的実装は何か？
• RQ4 提案されたゲートを用いて並列で多キュービットCNOT操作を生成できるか。その成功実装に必要な条件は何か？
• RQ5 qubitまたは共鳴器の周波数チューニングにより、逐次的なゲート適用を必要とせずに必要な制御位相操作を実現する方法は何か？

主な発見

• 提案された位相ゲートは、n個のキュービットを操作時間nに依存せずに同時に制御でき、スケーラブルな多キュービットもつれを実現する。
• ゲートはキャビティモードの初期状態に強く依存せず、キャビティが真空状態、熱状態、フォック状態のいずれにあっても、忠実度を維持する。
• qubit周波数チューニングまたは共鳴器周波数チューニングの両方でゲートを実装可能であり、実験的設計の柔軟性を提供する。
• 提案された制御位相ゲートを用いることで、n個のキュービットに同時に作用するCNOTに類似したゲートを構築でき、効率的な量子回路コンパイルを可能にする。
• 超伝導キュービットと共鳴器の結合により、ゲートは実現可能であり、1つの制御キュービットがN個のキュービットの集合からn個のキュービットを同時にもつれ状態にできる。
• プロトコルは原子系へも拡張可能であり、1つの原子が初期状態が任意の状態のキャビティモードを介してn個の他の原子を制御することができ、広範な物理的適用可能性を示している。